マンガン系酸化物粉末を用いた 新規ガラスの研磨材料の研究開発
岐阜工業高等専門学校 機械工学科 ・ 講師
島本 ( 田中 ) 公美子
2020 年 1 月 27 日（月） 15:30 ～ 16:10 住友会館（泉ガーデンタワー 42 階）
第 37 回無機材料に関する最近の研究成果発表会
－材料研究に新しい風を－
１．背景 －従来材： CeO 2 －
現在，ガラスの研磨材には希土類（レアアース）の一つで軽希土類に分類 されるセリウム（
Ce
）の酸化物である酸化セリウム（CeO
2）が用いられている．ガラス研磨材の代替材料の研究開発として，
2009
年7
月から2013
年3
月まで 立命館大学 谷 康弘 教授らの研究グループが研磨パッドや研磨砥粒等に ついて検討が行われた．この研究では，研磨パッドに焦点をあてており，研磨砥粒はジルコニア（
ZrO
2）による評価を行っているが、他の研磨材料の 性能評価には余地がある．Fig.1
セリウムの価格の推移 我が国ではレアアース鉱石・原料は生産されず，すべて輸入に頼っている．しかしながら，近年，
外国からの酸化セリウムの輸入量が，平成
18
年 をピークに年々減少し，価格も高騰している．2
Ref. 財務省貿易統計, セリウムの価格の推移.
１．背景 －ガラス研磨材の種類・性質－
Table 1 ガラス研磨材の性質
名称 化学式 結晶系 色 モース硬さ 比重 融点（℃） 適用 アルミナ（α 晶） α －Al2O3 六方 白～褐 9.2～9.6 3.94 2,040 ラッピング
ポリッシング アルミナ（γ 晶） γ －Al2O3 等軸 白 8 3.4 2,040 ポリッシング 炭化ケイ素 SiC 六方 緑，黒 9.5～9.75 2.7 （2,000） ラッピング 炭化ホウ素 B4C 六方 黒 9以上 2.5～2.7 2,350 ラッピング ダイヤモンド C 等軸 白 10 3.4～3.5 （3,600） ラッピング ポリッシング ベンガラ Fe2O3 六方
等軸 赤褐 6 5.2 1,550 ポリッシング
酸化クロム Cr2O3 六方 緑 6～7 5.2 1,990 ポリッシング 酸化セリウム CeO2 等軸 淡黄 6 7.3 1,950 ポリッシング 酸化ジルコニウム ZrO2 単斜 白 6～6.5 5.7 2,700 ポリッシング 二酸化チタン TiO2 正方 白 5.5～6 3.8 1,855 ポリッシング 酸化ケイ素 SiO2 六方 白 7 2.64 1,610 ポリッシング 酸化マグネシウム MgO 等軸 白 6.5 3.2～3.7 2,800 ポリッシング
Ref. 「はじめての研磨加工」，安永暢男，25 March (2010).
3
１．背景 －予備調査－
ガラスの研磨において，硬い物質が必ずしも研磨能力が高いとは言えない．それは 主に化学・機械研磨（Mechanochemical Polishing）作用が生じているからである．
Fig.2
研磨能力と単独粒の強度の関係転位密度 横弾性係数 ポアソン比
4
２．目的
新しいガラスの研磨材料として選定した Mn
2O
3の 研磨の有効性を実験的検討により明らかにすると ともに，従来材である CeO
2との比較を行うことを 目的とした．
5
３．実験方法 －試料 , 手順－
Fig.3
試料粉末のSEM
写真（左：CeO
2,
右：Mn
2O
3）研磨量の向上を図るため，Mn2O3の粒径依存性，研磨荷重依存性，研磨速度依存性の 実験を行った．ガラスの研磨メーカーでは最近は研磨材料（CeO2）の濃度を水に対して 10wt%に変更したとのことであったため，それに合わせて添加量を変更して実験を行い、
CeO2とMn2O3の相対比較を行った．
試料： 酸化セリウム（CeO2）粉末，三二酸化マンガン（Mn2O3）粉末
溶媒： 蒸留水 （濃度： 蒸留水－10wt%研磨材，蒸留水－20wt%研磨材）
先行研究： 研磨液をガラスに塗布した後，研磨パッドで挟み往復スライダー型摩擦試験機 を用いて摺動試験を行った．試料の評価は，厚さ，摩擦係数測定，表面粗さ測定，SEM 観察により行った．先行研究で得られた結果をもとに，実際にガラスの研磨工場で用いられ ている研磨装置（DSM9B-5L/P-V（SPEEDFAM製））での実機試験を行った．
6
３．実験方法 －実験装置－
Fig. 5
冶具(
正面) Fig. 6
冶具(
底面) Fig. 4
ガラス板（
26 mm
×26 mm
×3 mm
）7
Fig. 7
回転式研磨盤 ラボ試験にて使用３．実験方法 －実験装置－
加圧方向
回転方向
回転方向 ディスク基盤
下ラップ 上ラップ
加圧方向
回転方向
回転方向 ディスク基盤
下ラップ 上ラップ
Fig. 8
粉末粉砕機Fig. 9
粒度分布測定機Fig. 10
ガラス研磨機DSM9B-5L/P-V
（SPEEDFAM製）
セイシン企業
Ref. 「はじめての研磨加工」，安永暢男，
8
25 March (2010).
実機試験にて使用
４．実験結果 － Mn 2 O 3 の粒度分布－
Fig. 11
入手したMn
2O
3粉末の粒度分布積分分布 頻度分布
粒径
モード径（最頻径）： 6.0 mm メディアン径（中央径）： 6.7mm
Mn
2O
3の入手先：Materion Advanced Chemicals
社製（米国）9
４．実験結果
研磨時間を 30 分とした場合の透明度の比較
研磨前のすりガラスの状態に比べ，
CeO
2およびMn
2O
3は透明度が向上．研磨量（厚さ）は，
CeO
2：20 μm，Mn
2O
3：3 μmで，表面粗さはほぼ同等．Fig. 12 Comparison of transparency for glasses after glass polish experiment.
Mn
2O
3は30
分の研磨量が3 μmと少なかったが，少ない研磨量で鏡面化できる ことから，仕上げ研磨加工に応用できる可能性が高いことが明らかとなった．10
４．実験結果
Mn 2 O 3 粉末の分級前後の SEM 観察
Fig. 13 Mn
2O
3粉末の分級前後のSEM
写真11
４．実験結果
Mn 2 O 3 の研磨量の向上を目指した実機試験
Mn
2O
3はCeO
2に比べて 半分程度の研磨量と なった．我が国はマンガン団塊が あることから，今後
Mn
2O
3 の生産量が向上すれば 安価になることを見越し，研磨材濃度を上げて 実験を行うことにした．
Fig. 14 Particle size dependence of Mn
2O
3.
• Mn
2O
3粉末の平均粒径を1.8 μm
，2.6 μm
，4.1 μm
と 変化させたものを作製•
研磨材濃度： 水道水－10wt%
研磨材12
４．実験結果
Mn 2 O 3 の研磨量の向上を目指したラボ試験
8 mm
向上回転速度を速くすると ともに，研磨量が低下 する傾向にあった．
これは荷重と遠心力の 間に働く合力が関係し，
試料表面の一点一点に かかる力が変化したこと に起因する．
Fig. 15 Polishing load dependence and polishing speed dependence of Mn2O3.
研磨条件（荷重，回転速度）を変更し，研磨量の向上を目指した．
研磨材濃度：
水道水－10wt%CeO2 水道水－20wt%Mn2O3 研磨材濃度を上げる ことで，研磨量はCeO2 を上回る結果となった．
研磨荷重の増加に伴い 研磨量が向上
13
４．実験結果
研磨条件を変更した場合の透明度の比較
CeO2,（10 wt%, 500 g 荷重, 150 rpm, 120 分）
Fig. 16 Comparison of transparency for glasses after glass polish experiment.
今後は，Mn2O3粉末の更なる研磨量の向上に向けて，実験条件の検討を行うと ともに，産業界では精度の高い研磨を短時間で行うことが望まれるため，
研磨時間を短縮する技術についても検討する．
Mn2O3（20 wt%, 2.5 kg 荷重, 150 rpm, 120 分）
すりガラス
Mn
2O
3粉末の最大のメリットは，少ない研磨量においても鏡面になることで あるが，研磨濃度を上げ，研磨荷重を増加させて研磨量を向上させた場合 においても，その性能は劣らない．14
５．まとめ
新しいガラスの研磨材料として選定した三二酸化マンガン（Mn2O3）の 有効性を実験的検討により明らかにし，従来のガラスの研磨材料である 酸化セリウム（CeO2）と比較した結果，以下のことが明らかとなった．
1) Mn2O3粉末の研磨材料としての有効性を確認した．
2) 従来CeO2の研磨で行われる研磨条件下では，CeO2の方が20
m
mと 高い研磨量を示し，Mn2O3は3m
mであった．3) 研磨量の粒径依存性を調べた結果，研磨材の粒径が細かいほど 粒子の数が多くなり，わずかに研磨量が増加した．
4) Mn2O3粉末は，荷重の増加に伴い研磨量が向上し，荷重依存性が 認められた．研磨量の研磨速度（研磨時間）依存性を調べた結果，
研磨速度の上昇（研磨時間の短縮）に伴い研磨量は低下した．
5) 研磨後のガラスの観察を行った結果，Mn2O3は研磨量が少ない場合 においても，CeO2の透明度や表面粗さとほぼ変わらず，
最終仕上げの鏡面研磨に適することが明らかとなった．
